光場成像技術(shù)的革新與前景分析

許經(jīng)捷

北京師范大學(xué)藝術(shù)與傳媒學(xué)院，北京 100875

光場成像技術(shù)的革新與前景分析

許經(jīng)捷

北京師范大學(xué)藝術(shù)與傳媒學(xué)院，北京 100875

本文主要針對光場成像技術(shù)這個全新的領(lǐng)域，深入探討光場成像技術(shù)的前景極其對攝影界的革新，分析光場成像技術(shù)的優(yōu)勢與現(xiàn)今光場相機仍存在的不足，研究光場成像的革新意義，希望為光場成像技術(shù)的發(fā)展提供參考與建議。

光場成像技術(shù)；前景；革新

1 攝影界的一個偉大的突破

有人說過的一句精辟的語言：攝影家的能力是把日常生活中稍縱即逝的平凡事物轉(zhuǎn)化為不朽的視覺圖像。而相機便是攝影家捕捉視覺圖像的工具。自攝影誕生至今，相機經(jīng)歷了由繁瑣的板式攝影到膠片攝影、膠片攝影至數(shù)碼攝影的過程，時至今日，各式各樣的數(shù)碼相機令人眼花繚亂，其豐富的功能也讓人把玩不斷。

然而，當今的攝影技術(shù)仍存在不足之處。無論是膠片相機還是傳統(tǒng)數(shù)碼相機，都不過是純粹地捕捉二維畫面，在拍照的過程中失去了來自不同位置光線的方向信息。這樣的攝影在理論上根本稱不上“捕捉瞬間”，最多是“捕捉畫面”罷了。

但時代總是在前進著，幾個世紀前達芬奇勾畫的坦克、直升機、機械計算器已經(jīng)成為現(xiàn)實。現(xiàn)在，他的另一個想象力的翅膀也終于實現(xiàn)了——一種成像設(shè)備，具有捕捉每個光學(xué)場景的能力，這就是基于光場成像技術(shù)的光場相機。

它不僅僅記錄落在每個感光單元所有光線的總和，還旨在測定每個進入的光線強度和方向。有了這些信息，人們就可以生成不只是一個，而是每一個在那一刻進入相機視野的可能的圖象。

2 光場成像技術(shù)原理

“光場是空間中同時包含位置和方向信息的四維光輻射場的參數(shù)化表示。”[1]光場數(shù)據(jù)的獲取為數(shù)字成像的計算提供了更多可行的走向。傳統(tǒng)拍攝方式在目標物移動速度較快或是間距過遠時，容易因為焦平面較小而導(dǎo)致失焦、跑焦的情況，因而對于高速運動的目標物，想將其一瞬間的形態(tài)捕捉下來并正確對焦，是非常難以實現(xiàn)的。同時，要減少目標物高速運動而帶來的運動模糊，如果將曝光時間縮短，則容易導(dǎo)致攝得的圖像過暗，增大光圈孔徑則容易造成景深過小，背景模糊不清晰；而對主體較多的目標范圍來說，由于焦點時常對在中心位置的物體上，因而導(dǎo)致周圍物體因聚焦不足而出現(xiàn)模糊不清的情況。調(diào)小光圈的拍攝方法僅僅能在光線充足的情況下使用，在拍攝光線嚴重不足的室內(nèi)往往會導(dǎo)致目標曝光不足而過暗。 光場成像通過記錄光輻射在傳播過程中的四維位置和方向的信息，相較傳統(tǒng)僅紀錄兩個維度的拍攝方式足足多出兩個維度，因而在圖像重建過程中，能夠獲得更加豐富的圖像信息。于此同時，還能通過獨特的精密數(shù)字計算進行成像重新對焦，從而解決圖像失焦、難以多者同時對焦等問題。

除此之外，隨著光場成像技術(shù)的不斷發(fā)展，其優(yōu)秀的成像能力受到諸多行業(yè)的關(guān)注，現(xiàn)已逐漸運用到了航空拍攝、動畫渲染、立體投影、精密科學(xué)儀器等多個應(yīng)用領(lǐng)域。

3 消費級光場相機發(fā)展現(xiàn)狀——以Lytro相機為代表

2006年，美國斯坦福大學(xué)電腦科學(xué)系新加坡籍博士生吳義仁（Ng），與幾名研究員創(chuàng)制出便攜式光場相機。隨后，將這個獨特的發(fā)明投入商業(yè)運作的想法便出現(xiàn)在Ng的腦海中。

2011年10月20日，經(jīng)過年初的初步產(chǎn)品演示之后，Lytro公司正式發(fā)布了世界首款消費級光場相機[2]。它就像一個拉長了的IPOD NANO，具備陽極電鍍的鋁制外殼，后端由握持感良好的橡膠材質(zhì)構(gòu)成。整個相機僅有兩個按鈕：電源和快門，還有一個觸摸式的變焦桿。

4 成像效果及不足

數(shù)碼重聚焦技術(shù)是光場相機的一大賣點，通過軟件后期處理，Lytro相機能夠輕易的實現(xiàn)可變焦點間的切換。

樣片

從樣片中的對比可見，Lytro光場相機的焦點轉(zhuǎn)換系統(tǒng)效果十分明顯，令人眼前一亮。在實際使用中，焦點切換的處理速度飛快，幾乎實現(xiàn)了零延遲，用戶可以在輕點屏幕的瞬間輕易地切換照片的焦點。

Lytro相機所拍攝的圖片給人的第一感覺是色彩鮮明，而且色彩的真實度很高，還原性較好。同時，作為光場相機，其明暗對比度很高，你幾乎可以選擇聚光在一個逆光的物體上，甚至直接對著太陽拍攝。

然而，光場相機在拍攝方面雖然有革命性的變革，但囿于光場成像技術(shù)仍處于發(fā)展階段尚未成熟，現(xiàn)今的光場相機，以Lytro為例，都存在著相片像素不高的狀況。通過截圖導(dǎo)出的JPEG圖片，大約只有120萬像素，這一現(xiàn)象遠遠低于當下人們的使用需求，尤其是在許多手機攝像頭已經(jīng)實現(xiàn)了千萬級像素的今天。同時，照片的噪點極多，多數(shù)時候極大地影響了用戶的使用體驗，質(zhì)量有待提高。

4 總結(jié)與展望

光場成像技術(shù)發(fā)展至今，足足已一個世紀有余，從最初的理論實驗，到近代的計算機應(yīng)用，再到這幾年的消費級光場相機，百年間光場成像技術(shù)的研究與實踐已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍。隨著CPU運算速度的飛速增長和重構(gòu)算法的不斷改進，與計算機技術(shù)緊密相關(guān)的光場成像技術(shù)的發(fā)展前景可以說是相當樂觀的。僅現(xiàn)階段其可實用領(lǐng)域便十分廣闊：對攝影家來說，數(shù)字重聚焦技術(shù)另其擺脫了散焦、失焦的困擾；同時對于高速攝影及低感感攝影，光場成像具備獨特的優(yōu)勢；在安全領(lǐng)域，能夠通過合成孔徑技術(shù)實現(xiàn)“透視”監(jiān)控；在動畫及影視傳媒領(lǐng)域，可以通過光場數(shù)據(jù)合成視角來實現(xiàn)虛擬3D甚至于全息投影等…未來，倘若能將光場成像技術(shù)應(yīng)用在連續(xù)動態(tài)圖像中，想必將會在影像界造成前所未有的轟動。我們生活在一個三維的世界，傳統(tǒng)二維成像技術(shù)帶給我們的影像是有限的，而立足于四維信息捕捉的光場成像技術(shù)能夠通過信息整合與計算，帶給我們這個世界更加生動、細膩、真實的縮影。相信在不遠的將來，隨著科技的不斷發(fā)展，光場成像技術(shù)將為人類帶來更多的震撼。

[1]聶云峰，相里斌，周志良.光場成像技術(shù)進展[J].中國科學(xué)院研究生院學(xué)報，2011.

[2]玉牙青青.先拍照，后對焦——顛覆傳統(tǒng)的光場相機Lytro[J].中國攝影家，2013.

G2

A

1674-6708（2015）142-0121-01

許經(jīng)捷，本科在讀，工作單位：北京師范大學(xué)藝術(shù)與傳媒學(xué)院，研究方向：數(shù)字媒體藝術(shù)